CN213960064U - 一种基于开关纹波调制的电源线通信电路 - Google Patents

Abstract

一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，包括并联逆变模块、双路磁集成模块、并联整流模块和控制模块，并联逆变模块与双路磁集成模块连接，用于把第一直流电压转换为第一交流电压来给LLC谐振腔供电，双路磁集成模块与并联整流模块连接，用于把第一交流电压转换为第二交流电压，并联整流模块与负载相连，用于把第二交流电压转换为第二直流电压给负载供电，控制模块与并联逆变模块连接，用于控制上下两路变换器驱动信号的移相角，进而控制输出电流纹波大小来进行数据通信。本实用新型解决了目前其它通信电路体积大、频率低、效率低、布线复杂、调节性差等问题。

Description

一种基于开关纹波调制的电源线通信电路

技术领域

本实用新型涉及电力线载波通信传输数据领域，尤其涉及一种基于开关纹波调制的电源线通信电路。

背景技术

随着我国电力电子技术的迅速发展，利用电力电子电路产生的开关纹波作为通信载波进行数据传输，成为电力电子网络化的方式之一。

在传统的分布式系统中，RS485、CAN等总线通信技术得到广泛应用，此种方法虽能显著减小连线长度，且能有效抑制共模干扰，但其需要独立的通信线和供电电源，所以布线比较复杂。目前最先进的控制方法大多采用变频方式控制变换器输出纹波的大小，并将纹波作为通信载波进行数据传输，此法虽布局简单，但变换器本身效率难以保证，即通信效率难以保证。

发明内容

本实用新型提供一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，用来解决目前其它通信电路体积大、频率低、效率低、布线复杂、调节性差的问题。

该基于开关纹波调制的电源线通信电路包括：并联逆变模块、双路磁集成模块、并联整流模块和控制模块；

所述并联逆变模块与所述双路磁集成模块连接，用于把第一直流电压转换为第一交流电压来给LLC谐振腔供电；

所述双路磁集成模块与所述并联整流模块连接，用于把第一交流电压转换为第二交流电压；

所述并联整流模块与负载相连，用于把第二交流电压转换为第二直流电压给负载供电；

所述控制模块与所述并联逆变模块连接，用于控制上下两路变换器驱动信号的移相角，进而控制输出电流纹波大小来进行数据通信。

所述并联整流模块包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第二电容，用于把第二交流电压转换为第二直流电压给负载供电；

所述第一二极管的第一端与所述第三二极管的第一端电连接，所述第一二极管的第二端与所述第二二极管的第一端电连接，所述第二二极管的第二端与所述第四二极管的第二端电连接，所述第三二极管的第一端与所述第七二极管和第二电容的第一端电连接，所述第三二极管的第二端与所述第四二极管的第一端电连接，所述第四二极管的第二端与所述第八二极管和第二电容的第二端电连接，所述第五二极管的第一端与所述第七二极管的第一端电连接，所述第五二极管的第二端与所述第六二极管的第一端电连接，所述第六二极管的第二端与所述第八二极管的第二端电连接，所述第七二极管的第二端与所述第八二极管的第一端电连接。

优选的，所述并联逆变模块包括第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管，用于把第一直流电压V1转换为第一交流电压来给LLC谐振腔供电；

所述第一电容的第一端与所述第一开关管和所述第五开关管的第一端电连接，所述第一电容的第二端与所述第二开关管和所述第六开关管的第二端电连接，所述第一开关管的第一端与所述第三开关管的第一端电连接，所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端电连接，所述第二开关管的第二端与所述第四开关管的第二端电连接，所述第三开关管的第二端与所述第四开关管的第一端电连接，所述第五开关管的第一端与所述第七开关管的第一端电连接，所述第五开关管的第二端与所述第六开关管的第一端电连接，所述第六开关管的第二端与所述第八开关管的第二端电连接，所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第一端电连接。

所述双路磁集成模块包括：第一变压器、第二变压器、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感，用于把第一交流电压转换为第二交流电压，并提高系统的功率密度，降低系统的质量；

所述第一电感的第一端与所述第一开关管的第二端电连接，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端电连接，所述第一变压器的第一端与所述第一二极管的第二端电连接，所述第一变压器的第二端与所述第三二极管的第二端电连接，所述第一变压器的第三端与所述第三开关管的第二端电连接，所述第一变压器的第四端与所述第二电感的第二端电连接，所述第三电感的第一端与所述第五开关管的第二端电连接，所述第三电感的第二端与所述第四电感的第一端电连接，所述第二变压器的第一端与所述第五二极管的第二端电连接，所述第二变压器的第二端与所述第七二极管的第二端电连接，所述第二变压器的第三端与所述第七开关管的第二端电连接，所述第二变压器的第四端与所述第四电感的第二端电连接。

所述控制系统包括：电压采样电路、电流采样电路、PID调节器、PSK调节器、驱动系统，用于控制上下两路变换器驱动信号的移相角，进而控制输出电流纹波大小来进行数据通信。

所述电压采样电路和电流采样电路的第一端与所述全桥LLC谐振变换器交错并联系统输出端的第二端电连接，所述电压采样电路和电流采样电路的第二端与所述PID调节器的第一端电连接，所述PID调节器的第二端与所述驱动系统的第一端电连接，所述驱动系统的第二端与所述全桥LLC谐振变换器交错并联系统的开关管电连接，所述PSK调节器的第一端与后方PLC设备的通断数据信号电连接，所述PSK调节器的第二端与所述驱动系统的第一端电连接，所述驱动系统的第二端与GaN器件的栅极电连接。

所述的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路利用PSM(移相)控制调节电力电子变换器输出纹波作为载波进行数据通信。

所述开关管为GaN功率器件。

本实用新型的有益效果为：本实用新型通过全桥LLC谐振变换器交错并联系统的谐振的来提高变换器的效率及带载能力、通过控制上下两路变换器驱动信号的移相角，进而控制输出电流纹波大小来进行数据通信、通过并联逆变模块中高频GaN的引入提升了变换器的效率及频率、通过双路磁集成模块及贴片GaN 的引入提高了变换器的功率密度、通过电压闭环模块的引入保证了变换器的稳定性，使其能稳定输出直流电。即本实用新型解决了目前通信系统存在的效率低、频率低、功率密度低、可靠性低、可调节性差、带载能力弱、布线复杂的问题。

本实用新型引入磁集成技术，用于进一步提高系统的功率密度、降低系统的质量，更好的符合当今变换器高频化、小型化的发展趋势。本实用新型通过把电感与变压器集成在一起用于降低系统的体积、提高系统的功率密度、减小系统的质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信方法的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路的主电路拓扑图；

图4为本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路控制系统的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路在 PFM+DPS控制下输出纹波图其一；

图6为本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路在PFM+DPS控制下输出纹波图其二。

如图：并联逆变模块10、第一电容C1、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8；

双路磁集成模块20、第一变压器T1、第二变压器T2、第一电感L1、第二电感 L2、第三电感L3、第四电感L4；

并联整流模块30、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第二电容C2；

控制模块40；

具体实施方式

图1是本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信方法的结构示意图，从图1可以看出本实用新型选取的电源线通信电路为全桥LLC谐振变换器交错并联系统，以提高变换器本身的传输效率和带载能力。变换器输入端与直流母线电连接，输出端与负载电连接，用于采集输出电流的纹波大小。传统的PLC通信以高频信号作为载波进行数据通信，并通过耦合电路叠加到电源线，所以PLC通信需要独立的信号调制电路。而电力电子电路在运行时在输出端不可避免会产生高频电流纹波，如果将该纹波作为通信载波，便可以实现 PLC通信。本实用新型利用调节两路全桥LLC谐振变换器驱动信号的移相角来调节两路变换器输出电流的相位，进而控制总输出电流的纹波大小和通信载波。

该方法通过调节路全桥LLC谐振变换器驱动信号的移相角，实现了载波信号的相移键控(PSK)调制。另外本实用新型利用PFM+DPS对变换器进行闭环控制，其中利用PFM控制对变换器进行稳压，使变换器在保持原有功率变换的基础上，实现电源线载波通信功能，利用DPS(双重移相)控制对变换器进行均流控制和输出电流纹波大小控制，以此保证变换器正常运行。

图2是本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路的结构示意图，从图2可以看出本实用新型的电路包括并联逆变模块10、双路磁集成模块20、并联整流模块30、控制模块40，其中并联逆变模块10的输入端与直流母线电连接，输出端与双路磁集成模块20的输入端电连接用于把第一直流电压V1转换为第一交流电压V2来给LLC谐振腔供电。双路磁集成模块20的输出端与并联整流模块30的输入端电连接用于把第一交流电压V2转换为第二交流电压V3，本实用新型采用磁集成技术提高变换器功率密度，采用LLC谐振技术提高变换器效率。并联整流模块30的输出端及PLC设备的数据通断信号与控制模块40的输入端电连接，用于确定两路变换器驱动信号的移相角、稳定输出功率且完成图1中的复合调制。控制模块40的输出端与变换器的GaN器件电连接，驱动其开通、关断。

图3是本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路的主电路拓扑图，包括并联逆变模块10、双路磁集成模块20、并联整流模块30，其中双路磁集成模块20包括第一变压器T1、第二变压器T2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4，从图3中可以看出本实用新型的半导体器件采用GS66502B型号的贴片GaN开关管，用于提高系统的功率密度、减轻系统的质量、应对系统20MHZ的开关频率。

第一电感L1的第一端与所述第一开关管Q1的第二端电连接，第一电感L1的第二端与所述第二电感L2的第一端电连接，第一变压器T1的第一端与第一二极管D1的第二端电连接，第一变压器T1的第二端与第三二极管D3的第二端电连接，第一变压器T1的第三端与第三开关管Q3的第二端电连接，第一变压器T1 的第四端与第二电感L2的第二端电连接，第三电感L3的第一端与第五开关管 Q5的第二端电连接，第三电感L3的第二端与第四电感L4的第一端电连接，第二变压器T2的第一端与第五二极管D5的第二端电连接，第二变压器T2的第二端与第七二极管D7的第二端电连接，第二变压器T2的第三端与第七开关管Q7 的第二端电连接，第二变压器T2的第四端与第四电感L4的第二端电连接。磁性元件(简称磁件，包括电感、变压器)不仅是电源中重要的功能元件，实现能量储存与转换、滤波和电气隔离，同时，其体积、重量、损耗在整机中也占有相当比例。据统计，磁件的重量一般是变换器总重的30～40％，体积占总体积的 20～30％，对于高频工作、模块化设计的电源，磁件体积、重量所占的比例还会更高，并成为限制模块高度的主要因素。引入磁集成技术，用于进一步提高系统的功率密度、降低系统的质量，更好的符合当今变换器高频化、小型化的发展趋势。

图4是本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路控制系统的结构示意图，其中控制模块40包括：电压采样电路、电流采样电路、PID 调节器、PSK调节器、驱动系统，从图4可以看出本实用新型利用PID调节实现变换器的稳压和均流功能，利用PSK调节器调节两路变换器驱动信号的移相角，进而控制输出电流纹波大小和后端PLC设备的通断。

电压采样电路和电流采样电路的第一端与全桥LLC谐振变换器交错并联系统输出端的第二端电连接，电压采样电路和电流采样电路的第二端与PID调节器的第一端电连接，PID调节器的第二端与驱动系统的第一端电连接，驱动系统的第二端与全桥LLC谐振变换器交错并联系统的开关管电连接，PSK调节器的第一端与后方PLC设备的通断数据信号电连接，PSK调节器的第二端与驱动系统的第一端电连接，驱动系统的第二端与GaN器件的栅极电连接。

图5、图6是本实用新型实施例提供的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路在PFM+DPS控制下输出纹波对比图，其中图5为两路变换器驱动信号移相0度或180度的纹波，其中图6为两路变换器驱动信号移相90度的纹波，从图5、图6中可以看出两路变换器驱动信号移相不同角度会得到不同纹波，系统根据后端PLC设备反馈的不同数据信号得到不同输出纹波，进而得到不同的通信载波进行数据通信。

综合以上所述，本实用新型公开了一种基于开关纹波调制的电源线通信电路及方法。包括：电路拓扑，电路控制方式，并提出一种基于纹波调制的PSK通信方式。电路拓扑其特征在于，包括并联逆变模块10、双路磁集成模块20、并联整流模块30、控制模块40，本实用新型通过双路磁集成模块20及贴片GaN的引入提高了系统的功率密度、通过控制模块40的引入保证了系统的稳定性，电路控制方式其特征在于，针对交错并联系统本实用新型利用一种PFM+DPS的控制方法，使电路通过移相可以控制输出电流纹波大小，PSK通信方式其特征在于通过调节全桥LLC谐振变换器交错并联系统两路变换器间驱动信号的移相角来实现对输出电流高低纹波的控制，进而实现载波信号的PSK(相移键控)调制。该技术将电力电子拓扑结构作为数据传输的载体，是一种低成本实现电源线载波通信的方法。即本实用新型解决了目前通信系统存在的效率低、频率低、功率密度低、可靠性低、可调节性差、带载能力弱、布线复杂等问题。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本实用新型提到的各个部件为现有领域常见技术，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，其特征在于，包括：并联逆变模块、双路磁集成模块、并联整流模块和控制模块；

所述并联逆变模块与所述双路磁集成模块连接，用于把第一直流电压转换为第一交流电压来给LLC谐振腔供电；

所述双路磁集成模块与所述并联整流模块连接，用于把第一交流电压转换为第二交流电压；

所述并联整流模块与负载相连，用于把第二交流电压转换为第二直流电压给负载供电；

所述控制模块与所述并联逆变模块连接，用于控制上下两路变换器驱动信号的移相角，进而控制输出电流纹波大小来进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，其特征在于,所述并联整流模块包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第二电容；所述第一二极管的第一端与所述第三二极管的第一端电连接，所述第一二极管的第二端与所述第二二极管的第一端电连接，所述第二二极管的第二端与所述第四二极管的第二端电连接，所述第三二极管的第一端与所述第七二极管的第一端和第二电容的第一端电连接，所述第三二极管的第二端与所述第四二极管的第一端电连接，所述第四二极管的第二端与所述第八二极管和第二电容的第二端电连接，所述第五二极管的第一端与所述第七二极管的第一端电连接，所述第五二极管的第二端与所述第六二极管的第一端电连接，所述第六二极管的第二端与所述第八二极管的第二端电连接，所述第七二极管的第二端与所述第八二极管的第一端电连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，其特征在于,所述并联逆变模块包括第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管；所述第一电容的第一端与所述第一开关管和所述第五开关管的第一端电连接，所述第一电容的第二端与所述第二开关管和所述第六开关管的第二端电连接，所述第一开关管的第一端与所述第三开关管的第一端电连接，所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端电连接，所述第二开关管的第二端与所述第四开关管的第二端电连接，所述第三开关管的第二端与所述第四开关管的第一端电连接，所述第五开关管的第一端与所述第七开关管的第一端电连接，所述第五开关管的第二端与所述第六开关管的第一端电连接，所述第六开关管的第二端与所述第八开关管的第二端电连接，所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第一端电连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，其特征在于,所述双路磁集成模块包括：第一变压器、第二变压器、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感；所述第一电感的第一端与第一开关管的第二端电连接，所述第一电感的第二端与第二电感的第一端电连接，所述第一变压器的第一端与第一二极管的第二端电连接，所述第一变压器的第二端与第三二极管的第二端电连接，所述第一变压器的第三端与第三开关管的第二端电连接，所述第一变压器的第四端与第二电感的第二端电连接，所述第三电感的第一端与第五开关管的第二端电连接，所述第三电感的第二端与第四电感的第一端电连接，所述第二变压器的第一端与第五二极管的第二端电连接，所述第二变压器的第二端与第七二极管的第二端电连接，所述第二变压器的第三端与第七开关管的第二端电连接，所述第二变压器的第四端与第四电感的第二端电连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，其特征在于,所述控制模块包括：电压采样电路、电流采样电路、PID调节器、PSK调节器、驱动系统；所述电压采样电路和电流采样电路的第一端与全桥LLC谐振变换器交错并联系统输出端的第二端电连接，所述电压采样电路和电流采样电路的第二端与所述PID调节器的第一端电连接，所述PID调节器的第二端与所述驱动系统的第一端电连接，所述驱动系统的第二端与全桥LLC谐振变换器交错并联系统的开关管电连接，所述PSK调节器的第一端与后方PLC设备的通断数据信号电连接，所述PSK调节器的第二端与所述驱动系统的第一端电连接，所述驱动系统的第二端与GaN器件的栅极电连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，其特征在于,利用PSM控制调节电力电子变换器输出纹波作为载波进行数据通信。

7.根据权利要求6所述的一种基于开关纹波调制的电源线通信电路，其特征在于,所述开关管为GaN功率器件。

Images